La început, conceptul de câmp ar putea părea puțin abstract. Ce este acest misterios lucru invizibil care umple spațiul? Poate suna ca ceva chiar din science fiction!
Dar un câmp este într-adevăr doar o construcție matematică sau o modalitate de atribuire a unui vector fiecărei regiuni a spațiului, care oferă o indicație a cât de puternic sau slab este un efect în fiecare punct.
Definiția Electric Field
La fel cum obiectele cu masă creează un câmp gravitațional, obiectele cu sarcină electrică creează câmpuri electrice. Valoarea câmpului la un moment dat vă oferă informații despre ce se va întâmpla cu un alt obiect atunci când este plasat acolo. În cazul câmpului gravitațional, acesta oferă informații despre ce forță gravitațională va simți o altă masă.
Uncâmp electriceste un câmp vector care atribuie fiecărui punct din spațiu un vector care indică forța electrostatică pe unitate de încărcare în acea locație. Orice articol cu încărcare generează un câmp electric.
Unitățile SI asociate câmpului electric sunt Newtoni per Coulomb (N / C). Și amploarea câmpului electric datorită unei încărcări punctuale a sursei
E = \ frac {kQ} {r ^ 2}
Undereste distanța de la încărcareÎiar constanta Coulombk = 8.99 × 109 Nm2/ C2.
Prin convenție, direcția câmpului electric se îndreaptă radial spre sarcinile pozitive și spre sarcinile negative. Un alt mod de a gândi la asta este că indică întotdeauna în direcția în care o sarcină de test pozitivă s-ar deplasa dacă ar fi plasată acolo.
Deoarece câmpul este forța pe unitate de încărcare, atunci forța pe o sarcină de test punctualăqintr-un terenEar fi pur și simplu produsulqșiE:
F = qE = \ frac {kQq} {r ^ 2}
Care este același rezultat dat de Legea lui Coulomb pentru forța electrică.
Câmpul dintr-un punct dat din cauza unor surse multiple sau a unei distribuții de taxe este suma vectorială a câmpului datorată fiecărei taxe în mod individual. De exemplu, dacă câmpul produs de sursa de încărcareÎ1singur la un punct dat este 3 N / C la dreapta, iar câmpul produs de o încărcare sursăÎ2singur în același punct este de 2 N / C la stânga, atunci câmpul din acel punct din cauza ambelor sarcini ar fi 3 N / C - 2 N / C = 1 N / C la dreapta.
Linii de câmp electric
Adesea câmpurile electrice sunt reprezentate cu linii continue în spațiu. Vectorii de câmp sunt tangenți la liniile de câmp în orice punct dat, iar aceste linii indică calea pe care o călătorie o sarcină pozitivă dacă i se permite să se miște liber în câmp.
Intensitatea câmpului sau intensitatea câmpului electric este indicată prin distanțarea liniilor. Câmpul este mai puternic în locurile în care liniile de câmp sunt mai apropiate și mai slabe unde sunt mai răspândite. Liniile câmpului electric asociate cu o sarcină punctuală pozitivă, arată ca următoarele:
Liniile de câmp ale unui dipol seamănă cu cele ale unei sarcini punctuale de pe marginile exterioare ale unui dipol, dar sunt foarte diferite între:
•••wikimedia commons
Se pot traversa vreodată liniile de câmp electric?
Pentru a răspunde la această întrebare, luați în considerare ce s-ar întâmpla dacă liniile câmpului s-ar încrucișa.
După cum sa menționat anterior, vectorii de câmp sunt întotdeauna tangenți la liniile de câmp. Dacă două linii de câmp se încrucișează, atunci la punctul de intersecție, ar exista doi vectori de câmp diferiți, fiecare arătând într-o direcție diferită.
Dar acest lucru nu poate fi. Nu puteți avea doi vectori de câmp diferiți în același punct al spațiului. Acest lucru ar sugera că o încărcătură pozitivă plasată în această locație ar călători cumva în mai multe direcții!
Deci, răspunsul este nu, liniile de câmp nu pot trece.
Câmpuri electrice și conductori
Într-un conductor, electronii sunt liberi să se miște. Dacă un câmp electric este prezent în interiorul unui conductor, atunci aceste sarcini se vor mișca din cauza forței electrice. Rețineți că, odată ce se mută, această redistribuire a taxelor va începe să contribuie la câmpul net.
Electronii vor continua să se miște atât timp cât există un câmp diferit de zero în interiorul conductorului. Prin urmare, se mișcă până se distribuie în așa fel încât să anuleze câmpul interior.
Dintr-un motiv similar, orice sarcină netă plasată pe un conductor se află întotdeauna pe suprafața conductorului. Acest lucru se datorează faptului că aceleași taxe se vor respinge, distribuindu-se uniform la fel de uniform și la distanță posibil, fiecare contribuind la câmpul interior net astfel încât efectele lor să se anuleze reciproc afară.
Prin urmare, în condiții statice, câmpul din interiorul unui conductor este întotdeauna zero.
Această proprietate a conductorilor permiteecranare electrică. Adică, deoarece electronii liberi dintr-un conductor se vor distribui întotdeauna astfel încât să anuleze câmpul interior, apoi orice conținut într-o plasă conductoare va fi protejat de electricitatea externă forțelor.
Rețineți că liniile de câmp electric intră și ies întotdeauna perpendicular pe suprafața unui conductor. Acest lucru se datorează faptului că orice componentă paralelă a câmpului ar determina deplasarea electronilor liberi de pe suprafață, ceea ce vor face până când nu mai există câmp net în acea direcție.
Exemple de câmp electric
Exemplul 1:Care este câmpul electric la jumătatea distanței dintre o sarcină de +6 μC și o sarcină de +4 μC separată cu 10 cm? Ce forță s-ar simți o încărcare de test de +2 μC în această locație?
Începeți prin alegerea unui sistem de coordonate unde pozitivulX-axa indică spre dreapta și lăsați încărcătura de +6 μC să se afle la origine, în timp ce sarcina de +4 μC se află laX= 10 cm. Câmpul electric net va fi suma vectorială a câmpului datorată sarcinii +6 μC (care va indica spre dreapta) și câmpului datorită încărcăturii +4 μC (care va indica spre stânga):
E = \ frac {(8,99 \ times 10 ^ 9) (6 \ times 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} - \ frac {(8,99 \ times 10 ^ 9) (4 \ times 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} = 7,19 \ times10 ^ 6 \ text {N / C}
Forța electrică resimțită de sarcina de +2 μC este atunci:
F = qE = (2 \ times10 ^ {- 6}) (7,19 \ times10 ^ 6) = 14,4 \ text {N}
Exemplul 2:O sarcină de 0,3 μC este la origine și o sarcină de -0,5 μC este plasată la x = 10 cm. Găsiți o locație în care câmpul electric net este 0.
În primul rând, puteți utiliza raționamentul pentru a determina că nu poate fiîntrecele două taxe, deoarece câmpul net dintre ele va fi întotdeauna diferit de zero și arătând spre dreapta. De asemenea, nu poate fi ladreaptaa încărcăturii -5 μC deoarece câmpul net ar fi la stânga și diferit de zero. Prin urmare, trebuie să fie pentrustângaa încărcăturii de 0,3 μC.
Lăsad= distanța la stânga încărcăturii de 0,3 μC unde câmpul este 0. Expresia pentru câmpul net ladeste:
E = - \ frac {k (0.3 \ text {μC})} {d ^ 2} + \ frac {k (0.5 \ text {μC})} {(d + .1) ^ 2} = 0
Acum rezolvați pentrud,mai întâi prin anulareak 's:
- \ frac {0.3 \ text {μC}} {d ^ 2} + \ frac {0.5 \ text {μC}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Apoi, vă înmulțiți pentru a scăpa de numitori, simplificați și creați o formulă pătratică:
5d ^ 2 - 3 (0,1 + d) ^ 2 = 2d ^ 2 - 0,6d - 0,03 = 0
Rezolvarea cadratice dăd= 0,34 m.
Prin urmare, câmpul net este zero la o locație de 0,34 m la stânga încărcăturii de 0,3 μC.